Filtros eléctricos: tipos (pasa altas, pasa bajas, pasa banda, rechaza banda), frecuencia de corte y factor Q

Conceptos Básicos sobre Filtros en Electricidad y Electrónica

1. ¿Qué es un Circuito de Filtro y para qué se utiliza?

Un filtro es cualquier combinación de elementos pasivos (como resistencias (R), inductores (L) y capacitores (C)) y/o activos (como transistores o amplificadores operacionales) diseñados para seleccionar o rechazar una banda de frecuencias.

2. ¿Qué es un Filtro Pasivo?

Los filtros pasivos son aquellos compuestos por combinaciones en serie o paralelo de elementos R, L y C.

3. ¿Qué es un Filtro Activo?

Los filtros activos son aquellos que utilizan dispositivos activos, tales como transistores y amplificadores operacionales, en combinación con elementos R, L y C.

4. Clasificación de los Filtros en Función de la Frecuencia

Los filtros se clasifican según su comportamiento en función de la frecuencia. A continuación, se describen las características de cada clasificación:

• Filtros Pasa Altas: En este tipo de filtro, la salida se toma de la resistencia en lugar del capacitor. Esto provoca que se dejen "pasar" las frecuencias altas. Cuando la frecuencia es demasiado baja, el voltaje se consume casi en su totalidad en el capacitor, que se comporta como una impedancia de valor muy alto. Por lo tanto, en la salida casi no hay voltaje. Cuando la frecuencia aplicada aumenta, el valor de la impedancia del capacitor disminuye hasta que casi no consume voltaje, y la mayoría del voltaje se obtiene a la salida.

• Filtros Pasa Bajas: Para frecuencias muy bajas, el capacitor (según la regla de división de voltaje), al ser una resistencia muy alta, consume todo el voltaje. Si se conecta la salida en paralelo al capacitor, se tendrá el máximo voltaje a la salida. A medida que aumentamos la frecuencia de la fuente, el capacitor disminuye su impedancia, con lo que el voltaje que disipa disminuye hasta tender a cero.

• Filtros Pasa Bandas: Este filtro se compone de un filtro pasa bajas y uno pasa altas conectados en cascada. Los componentes se deben seleccionar para que la frecuencia de corte del filtro pasa altas sea menor que la del filtro pasa bajas.

• Filtros Rechaza Bandas: Estos filtros también pueden construirse utilizando un filtro pasa bajas y uno pasa altas. Sin embargo, en lugar de la configuración en cascada que se emplea en el filtro pasa banda, se requiere un arreglo en paralelo.

• Filtros de Doble Sintonización: Algunas configuraciones de red presentan características tanto de pasa banda como de rechaza banda. Estas redes se denominan filtros de doble sintonización.

Otros Conceptos Importantes

5. ¿Qué es la Frecuencia de Corte?

Existe un intervalo de frecuencias definido en el que la corriente está cerca de su valor máximo y la impedancia está en un mínimo. Estas frecuencias corresponden al 70.7% (0.707) de la corriente máxima y se denominan frecuencias de corte.

6. ¿Qué es el Ancho de Banda?

Se llama ancho de banda, anchura de banda, banda de paso o banda pasante al número de ciclos a uno y otro lado de la frecuencia de resonancia comprendidos entre las frecuencias de corte superior e inferior. También se denomina así a la diferencia de frecuencias en las cuales la potencia disipada por el circuito es la mitad de la disipada a la frecuencia de resonancia por dicho circuito. En otras palabras, es el número de frecuencias comprendido entre ambas frecuencias de corte.

7. ¿Qué es un Circuito Resonante?

Un circuito resonante es una combinación de elementos R, L y C que tienen una característica de respuesta en frecuencia particular. En otras palabras, para un intervalo particular de frecuencias, la respuesta será cercana o igual al máximo. Un circuito resonante en serie o paralelo debe tener un elemento inductivo y uno capacitivo. Siempre estará presente un elemento resistivo debido a la resistencia interna de la fuente, la resistencia interna del inductor o cualquier resistencia agregada para controlar la forma de la curva de respuesta.

• Resonancia: Condición en la que un circuito RLC presenta una respuesta máxima a una frecuencia específica.
• Circuito Sintonizado: Circuito diseñado para responder a una frecuencia específica o a un rango de frecuencias.
• Frecuencia Natural: Frecuencia a la que un circuito oscila libremente sin la influencia de una fuente externa.

8. ¿Qué es el Factor de Calidad (Q) y cómo se calcula en un circuito RLC?

El factor de calidad (Q) de un circuito resonante en serie se define como la razón de la potencia reactiva del inductor o del capacitor a la potencia promedio del resistor en resonancia. Es decir:

Qs = Potencia Reactiva / Potencia Promedio

El factor de calidad también es una indicación de cuánta energía se almacena (transferencia continua desde un elemento reactivo hacia el otro) en comparación con la disipada. Cuanto menor es el nivel de disipación para la misma potencia reactiva, mayor es el factor Q y más concentrada e intensa es la región de resonancia. Sustituyendo por una reactancia inductiva en la ecuación anterior en resonancia, obtenemos:

Preguntas de Aplicación

1. ¿Cuáles son las frecuencias de corte que midió en su circuito?
2. ¿Cuál es el ancho de banda de su circuito?